电牵引单轨吊机车蓄电池的研究

杨志林，靳胜利

（1.山西省农业机械化科学研究院，山西 太原 030031；2.山西潞安环保能源股份有限公司漳村煤矿）

电牵引单轨吊机车蓄电池的研究

杨志林1，靳胜利2

（1.山西省农业机械化科学研究院，山西 太原 030031；2.山西潞安环保能源股份有限公司漳村煤矿）

分析了我国目前电牵引单轨吊机车蓄电池的优点和不足，研究了动力电池，最后得出结论认为：水平铅网电池是电牵引单轨吊机车动力电池的首选，并提出了水平铅网电池的技术方案。

煤矿动力电池；单轨吊机车；辅助运输；铅网电池

单轨吊机车是井下辅助运输设备。目前国内煤矿用的单轨吊机车，有进口的柴油机单轨吊机车和国产防爆蓄电池单轨吊机车。国产防爆蓄电池单轨吊机车具有无污染、低噪音、节能等特点，填补了国内井下辅助运输领域的一项空白并达到国际先进水平。但是制约国产防爆蓄电池单轨吊机车的关键因素是它使用的铅酸蓄电池不理想，存在着体积大、重量重、使用时间有限、持续供电能力差的问题。有必要研究一种煤矿用的动力蓄电池，用以提高国产单轨吊机车蓄电池的比能量和比功率、延长使用寿命。

1 国产防爆蓄电池单轨吊机车的蓄电池技术参数

目前国产防爆蓄电池单轨吊机车蓄电池组，由108块单体为2V，560Ah的电池串联而成，总容量为560Ah、216V，总自重为5060kg，总体积为3400 mm（长）×860mm（宽）×960mm（高），总功率为41.5 kW。单轨吊机车工作性质为不连续工作，每8h充电一次。

2 现行动力蓄电池比较

2.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池已有100多年的历史，广泛用于汽车的起动动力源，是较成熟的动力蓄电池；它的可靠性好、安全性能高、原材料易得、价格便宜；比功率也基本上能满足国产单轨吊机车的动力要求。但它有两大缺点；一是比能量低，质量和体积大，且一次充电行驶里程较短；二是使用寿命短，使用成本高。

2.2 铅网水平电池

水平电池技术是近年发展的先进的铅酸蓄电池技术，1985年美国开始研究水平电池技术，历经十多年，投资超过8 000万美元，才转化为实用化商品，采用了新的材料和设计理念。与传统铅酸蓄电池相比，采用复合铅丝技术制造的水平电池，具有以下显著特点：重量比能量高，电池的重量至少降低25%；电阻小，电流分布均匀，大电流充放电性能好；极板水平放置，减轻了浓差极化，提高了电池的抗冲击性能，避免了由于活性物质脱落引起的电池短路，延长了电池使用寿命；电池准双极结构，极板直接连通，取消了单体间的汇流排和极柱，缩短了工艺路线，提高了电池制造的可靠性；铅网水平电池应属于安全免维护电池。

2.3 锂离子蓄电池

锂电池被列为动力蓄电池的长期开发目标，锂电池的种类繁多。近年来发展的聚合物锂离子电池，又称固态锂离子电池，以钴酸锂、锰酸锂、镍锰钴酸锂、磷酸铁锂等材料为正极，碳材料为负极，并采用铝塑膜外包装；不仅具有液态锂离子电池的高电压、长寿命、放电电压平稳、清洁无污染等特点，而且消除了液态锂离子电池存在爆炸的安全隐患，安全性能已通过国家权威机构检测，尤其是磷酸铁锂电池的安全性能更得到了广泛的认可，经挤压、针刺、短路等极端工况下不起火、不燃烧、不爆炸；其比能量为100 Wh／kg，比功率为200 W/kg，循环使用寿命为1200次，充电时间2～4h。缺点是价格昂贵，还没有大容量的电池生产，充电均衡保护电路复杂，不适宜在煤矿井下使用。

2.4 镍镉蓄电池

镍镉蓄电池属于碱性电池，目前应用程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量达55 Wh／kg，比功率超过190 W／kg，可快速充电，循环使用寿命较长，达到2 000多次，是铅酸蓄电池的两倍多，但是价格为铅酸蓄电池的4～5倍，且存在重金属污染问题。

2.5 镍氢蓄电池

镍氢蓄电池属于碱性电池，其特性与镍镉蓄电池相似，但其不含镉、铜，不存在重金属污染问题；它的比能量达75～80 Wh/kg，比功率达160～230 W／kg，循环使用寿命超过600次。由于当前没有成熟的600 Ah电池产品，只能采用6个100Ah并联的方式扩大容量，但是并联方式容易导致各组电池内部之间（由于电压和内阻不均）引起回流现象，轻则使电池容量受损，重则导致电池组烧毁。如果采用各单组分别供电，需用继电器在带电工况下实现无间隙切换，这在高电压大电流切换瞬间，继电器因电弧很容易被烧毁，会对煤矿安全造成隐患。

2.6 钠硫蓄电池

钠硫蓄电池是近期普遍看好的动力蓄电池，比能量达109Wh／kg，循环使用寿命1200次。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，电池寿命较短，性能稳定性及使用安全性不太理想等问题，因此不适宜煤矿井下使用。

2.7 锌空气电池

锌空气电池的潜在比能量约200 Wh/kg左右。美国DEMI公司为电动汽车开发的锌空气电池的比能量已达160 Wh／kg，但它目前仍有寿命短、比功率小、不能输出大电流及难以充电等缺点。其局限性是：由于锌空电池采用换电板的方法，当用完电后，需更换电池锌板；对于旧电池锌板抽取锌膏和注入锌膏，都需要专门的工艺和设备，使用成本是铅酸蓄电池的数倍。再者，单轨吊机车的重力势能所产生的电能，不能回馈给锌空气电池，单轨吊机车在制动和下坡时，存在很大的安全隐患。

3 技术方案

综上分析，考虑性价比、比能量、比功率，以及煤矿安全要求，宜选铅网水平电池做为煤矿动力电池使用。所以我们提出了铅网水平电池技术方案：它由EV85单体电池组成216 V，595Ah的动力电池组，EV85单体电池额定电压12V，额定容量85Ah，体积为768mm（长）×128mm（宽）×122（高）mm，即由7只单体EV85电池并联成电池组，再由18个这样的电池组串联，组成国产防爆蓄电池单轨吊机车所需要的电源，技术参数如下：标称容量：595Ah。标称电压216V。循环使用寿命为600次。工作温度为-40°C到50°C。充电时间：充电电流为315A时，充电时间3.5 h。体积：2 688 mm（长）×810 mm（宽）×732（高）mm。重量为3.2 t。放电时间：放电电流150 A时，可连续工作4 h。总价格约为20万元。

水平电池的充电方式与富液电池不同，水平电池不能连续在高电压下充电；否则，将会使电池严重失水，导致电池过早损坏；而且水平电池也不能充电不足，这样硫酸铅就不能充分转变成二氧化铅或者金属铅，长时间下去，硫酸铅的晶体就会堆积在电池极板表面，从而影响电池性能，使电池寿命过早终结。所以，正确的充电方法是决定水平电池循环寿命的最重要的因素。

Abstract:The paper introduces the strengths and weaknesses of the storage batteries used in electricity-drag monorail hanging locomotive in China.After the study of power batteries,the authors conclude that horizontal lead-net battery should be the best choice and its technical scheme is presented.

Keywords:mine power batteries;monorail hanging locomotive;auxiliary transportation;lead-net batteries

编辑：刘新光

Research on Storage Batteries of Electricity-Drag Monorail Hanging Locomotive

YANG Zhi-lin1,JIN Sheng-li2
（1.Shanxi Agricultural Mechanization Institute of Science and Technology,Taiyuan Shanxi 030031,China;2.Zhangcun Mine,Lu'an Environmental Energy Co.,Lu'an Shanxi 046032,China）

TD64+2

A

1672-5050（2010）07-0066-02

2010-03-18

杨志林（1965—），男，山西稷山人，大学本科，高级工程师，从事工业电气自动化控制方面工作。